沈 勁,劉瑀菲,晏平仲,汪 宇,潘澤凱,陳多宏

(1.廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510308；2.廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東省環(huán)境保護(hù)大氣二次污染研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510308；3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029；4.中科三清科技有限公司,北京 100029)

經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)珠江三角洲(即珠三角)地區(qū)的一次污染物已經(jīng)得到有效的控制[1]，細(xì)顆粒物(PM2.5)等受到人們廣泛關(guān)注的污染物也于近幾年得到了一定程度的控制[2]，2015年珠三角地區(qū)的PM2.5濃度在我國(guó)三大重點(diǎn)污染區(qū)域中率先達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]，并連續(xù)四年穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。根據(jù)粵港澳珠三角區(qū)域空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)粵方子站2006年以來(lái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，多項(xiàng)污染物濃度均呈波動(dòng)下降趨勢(shì)[4]，但珠三角地區(qū)臭氧(O3)的平均濃度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)[5]，2006年珠三角地區(qū)O3的平均濃度為48 μg/m3，2018年上升至60 μg/m3，近12年間珠三角地區(qū)O3的平均濃度上升了25.0%，上升速度約為每年1 μg/m3。高濃度O3一方面對(duì)人體[6]、農(nóng)作物[7]和生態(tài)健康[8]有直接的影響，另一方面會(huì)增強(qiáng)大氣氧化性[9]，不斷氧化SO2和NO2等氣態(tài)污染物，生成較高濃度的PM2.5。

相對(duì)于北方地區(qū)O3污染明顯的季節(jié)特征，我國(guó)珠三角區(qū)域O3污染的時(shí)間跨度大。近年來(lái)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，廣東省在春、夏季節(jié)容易出現(xiàn)O3濃度極值現(xiàn)象，而秋季(10月份)O3濃度的平均值較高[10]。秋季是廣東省O3污染的典型季節(jié)，主要由于秋季經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)日照強(qiáng)、云量少、風(fēng)力弱等氣象條件，有利于光化學(xué)反應(yīng)而生成較高濃度的O3[11]。2018年國(guó)慶節(jié)前后，廣東省出現(xiàn)了一次O3污染事件，此次污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(11 d)、覆蓋范圍廣(19座城市)，首要污染物主要為O3。因此，深入研究此次O3污染事件污染過(guò)程的成因與發(fā)展過(guò)程，一方面可以增加對(duì)華南地區(qū)O3污染的認(rèn)識(shí)，另一方面將有助于廣東省O3污染防治對(duì)策的制定。為此，本文采用三維空氣質(zhì)量模型CAMx的綜合過(guò)程分析模塊，研究了不同物理化學(xué)過(guò)程對(duì)本次O3污染事件的影響與貢獻(xiàn)，以為珠三角地區(qū)O3污染控制提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 空氣污染物濃度數(shù)據(jù)與氣象資料

本研究的空氣污染物濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。廣東省空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)共布設(shè)了102個(gè)城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)和降塵等指標(biāo)，該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的QA/QC標(biāo)準(zhǔn)[12]。

本研究的氣象數(shù)據(jù)主要使用廣東省生態(tài)氣候中心提供的氣象資料，模型需要的氣象場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)1.0°×1.0°的 FNL再分析數(shù)據(jù)，其主要為模擬提供初始場(chǎng)輸入。

1.2 三維空氣質(zhì)量模型

本研究以美國(guó)ENVIRON公司開(kāi)發(fā)的帶擴(kuò)展模塊的綜合空氣質(zhì)量模型CAMx(v6.20)[13]為核心，以中尺度氣象模型WRF(v3.3)[14]為驅(qū)動(dòng)力，采用MODIS衛(wèi)星遙感反演得到的地形數(shù)據(jù)提供模型所需的地形資料；采用耦合排放源清單處理模型SMOKE[15]和自然源估算模型MEGAN[16]提供排放源清單支持(基于2018年氣象場(chǎng))，內(nèi)置清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的MEIC清單和全球變化前沿研究中心開(kāi)發(fā)的REAS清單[17](基準(zhǔn)年為2010年)，搭建區(qū)域空氣質(zhì)量模擬平臺(tái)WRF/SMOKE/CAMx，以支撐廣東省O3污染研究。為了更好地反映本地的排放，參考廣東地區(qū)的精細(xì)源清單對(duì)排放源清單進(jìn)行了本地化處理[18]，廣東省精細(xì)源清單的基準(zhǔn)年為2015年。O3前體物(NOx與VOCs)的排放集中于珠三角的中部，即珠江口周邊城市。模型的參數(shù)設(shè)置可參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[19]。

1.3 O3污染綜合過(guò)程分析方法

O3濃度的變化受化學(xué)過(guò)程、水平與垂直輸送、沉降等一系列復(fù)雜大氣過(guò)程的綜合影響，CAMx的綜合過(guò)程分析模塊(IPR)[20]可用于估算各物理過(guò)程和凈化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的影響。IPR模塊通過(guò)分別計(jì)算歐拉連續(xù)性方程等號(hào)右邊的各項(xiàng)，便可以得出氣相化學(xué)過(guò)程、水平平流與擴(kuò)散、垂直對(duì)流與擴(kuò)散、沉降以及其他過(guò)程對(duì)指定網(wǎng)格的污染物濃度的小時(shí)貢獻(xiàn)量。 歐拉連續(xù)性方程如下：

上面公式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)表示水平平流，東南西北邊界的O3水平通量可以區(qū)別對(duì)待，即可以定量某網(wǎng)格或區(qū)域4個(gè)邊界對(duì)該網(wǎng)格或區(qū)域的O3貢獻(xiàn)；第二項(xiàng)表示垂直對(duì)流對(duì)O3的貢獻(xiàn)；第三項(xiàng)表示擴(kuò)散對(duì)O3的貢獻(xiàn)；第四項(xiàng)表示排放對(duì)O3的貢獻(xiàn)，由于O3是二次污染物，排放源清單沒(méi)有O3的一次排放，因此這一項(xiàng)為0；第五項(xiàng)表示化學(xué)過(guò)程對(duì)O3的貢獻(xiàn)，其可以分為氣相化學(xué)和非均相化學(xué)兩部分，但由于O3的生成主要受氣相化學(xué)的影響，因此本文并未考慮非均相化學(xué)對(duì)O3的貢獻(xiàn)；最后一項(xiàng)表示沉降過(guò)程對(duì)O3的貢獻(xiàn)，可分為干沉降和濕沉降兩部分?；谶^(guò)程的分析對(duì)深入研究O3污染具有重要意義，其有助于定量不同物理化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的影響與貢獻(xiàn)，以明確各邊界的O3輸通量、本地O3化學(xué)生成的強(qiáng)烈程度等。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 2018年國(guó)慶前后廣東省O3污染態(tài)勢(shì)

本文按照我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2018年國(guó)慶前后廣東省城市空氣質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 2018年9月28日—2018年10月10日廣東省 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的等級(jí)分布Fig.1 Distribution of ambient air quality index (AQI) grades in Guangdong Province from September 28,2018 to October 10,2018

圖2 2018年國(guó)慶前后廣東省污染較嚴(yán)重城市的O3日 最高評(píng)價(jià)濃度Fig.2 The maximum evaluation concentration of ozone in the polluted cities in Guangdong Province around the National Day in 2018

由圖1和圖2可見(jiàn)，2018年9月29日—10月9日，廣東省共出現(xiàn)111個(gè)城次空氣質(zhì)量輕度污染、8城次空氣質(zhì)量中度污染(見(jiàn)圖1)，其中江門(mén)市3次、珠海市2次以及中山市、湛江市、佛山市各1次；O3濃度高值區(qū)域分布在廣東省西南部，珠三角西南部O3濃度最高，江門(mén)、中山、珠海等市接連出現(xiàn)中度O3污染，O3日最高評(píng)價(jià)濃度(即O3濃度日8 h滑動(dòng)平均的最大值)為241 μg/m3(發(fā)生于10月7日江門(mén)市)；江門(mén)市作為全省空氣質(zhì)量污染最嚴(yán)重的城市之一，污染過(guò)程中O3濃度波動(dòng)上升，始終處于輕度污染水平之上(見(jiàn)圖2)。

2.2 O3污染氣象條件分析

2018年國(guó)慶前后廣東省O3污染期間，大氣中層基本維持副高脊控制(見(jiàn)圖3)，以下沉氣流為主，污染物垂直擴(kuò)散受到抑制，9月30日—10月9日白天輻射較強(qiáng)，不同城市代表性站點(diǎn)日最高小時(shí)氣溫均接近30℃(見(jiàn)圖4)，光化學(xué)反應(yīng)活躍，有利于O3的生成；近地面受弱的高壓脊控制，風(fēng)力較弱，水平擴(kuò)散不利，偏東北氣流的水平平流和傳輸過(guò)程(見(jiàn)圖5)使得O3污染區(qū)集中在珠三角中西部、西南部和粵西地區(qū)。

圖3 9月30日—10月2日廣東省合成氣象場(chǎng)(左) 10月3日—10月4日合成氣象場(chǎng)(右)Fig.3 Composite field in September3-October2 (left) and composite field in October 3-October 4 (right) in Guangdong Province

圖4 2018年國(guó)慶前后廣東省污染較嚴(yán)重城市的日 最高小時(shí)氣溫Fig.4 Maximum hourly temperatures in the polluted cities in Guangdong Province around the National Day 2018

圖5 2018年國(guó)慶前后廣東省污染較嚴(yán)重城市的風(fēng)向-風(fēng)速玫瑰花圖Fig.5 Rose diagrams of wind in the polluted cities in Guangdong Province around the National Day 2018

2.3 O3污染綜合過(guò)程分析

本文以廣東省污染最嚴(yán)重的江門(mén)市為分析對(duì)象，選取江門(mén)市東湖監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為該市區(qū)的代表性點(diǎn)位，定量研究了2018年國(guó)慶前后不同物理化學(xué)過(guò)程對(duì)珠三角西部重污染區(qū)O3污染的影響。采用CAMx模型模擬了2018年9月中下旬到10月中旬江門(mén)市東湖監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的O3濃度，并將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 2018年國(guó)慶前后江門(mén)市東湖站點(diǎn)O3濃度實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比Fig.6 Comparison of measured values and simulated values of ozone concentration at Donghu station, Jiangmen City around the National Day 2018

由圖6可見(jiàn)，模擬結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(NMB)為-0.18，即總體上模擬值比實(shí)測(cè)值略低，相關(guān)系數(shù)(r)為0.42，模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏差主要與排放源清單的滯后性和VOCs清單值較大的不確定性有關(guān)；總體上9月中下旬的模擬結(jié)果較差，但2018年國(guó)慶前后的模擬結(jié)果基本與實(shí)測(cè)值吻合，表明本次模擬較成功地重現(xiàn)了2018年國(guó)慶前后江門(mén)市的O3污染過(guò)程。

本文還通過(guò)CAMx模型的綜合過(guò)程分析模塊(IPR)定量分析了2018年國(guó)慶前后江門(mén)市東湖站點(diǎn)近地面層化學(xué)過(guò)程、水平輸送、上邊界輸送和沉降等物理化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的逐小時(shí)貢獻(xiàn)值，見(jiàn)圖7。

圖7 江門(mén)市東湖監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2018年國(guó)慶前后不同 物理化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的逐小時(shí)貢獻(xiàn)值Fig.7 Influence of different physical chemical processes on the ozone hourly concentration at Donghu station,Jiangmen City before and after the National Day in 2018

在2018年國(guó)慶前后O3污染期間，江門(mén)市東湖監(jiān)測(cè)站點(diǎn)近地面層(離地面高度幾十米以下)的O3主要來(lái)自于水平輸送和上邊界的輸入，其中在白天O3濃度顯著上升時(shí)段，水平輸送的貢獻(xiàn)是主要的，而在下午和晚上，上邊界輸入的貢獻(xiàn)顯著；化學(xué)過(guò)程在全天主要起到消耗O3的作用，即NO等物質(zhì)在江門(mén)市不斷消耗O3，O3的消耗速率高于其化學(xué)生成速率，總體上表現(xiàn)出化學(xué)過(guò)程對(duì)O3的凈消耗效應(yīng)。因此，本次珠三角西部地區(qū)的O3污染事件主要是由污染物輸送導(dǎo)致的，即在持續(xù)的偏東北風(fēng)影響下，上風(fēng)向城市群排放的污染物不斷生成O3并輸送到江門(mén)市等下風(fēng)向地區(qū)，造成O3濃度在江門(mén)市區(qū)等地在日間有所積累，特別是造成了上午O3濃度的快速上升；本地的化學(xué)過(guò)程并非是導(dǎo)致本次O3污染事件的主要原因，化學(xué)過(guò)程總體上對(duì)O3有凈消耗作用，部分抵銷(xiāo)了物理過(guò)程導(dǎo)致的O3累積。

若區(qū)分白天與黑夜以及不同高度處化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的影響，本文采用CAMx模型的綜合過(guò)程分析模塊(IPR)定量分析了2018年國(guó)慶前后江門(mén)市東湖監(jiān)測(cè)站點(diǎn)白天與黑夜以及不同高度處化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的平均貢獻(xiàn)值，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 江門(mén)市東湖監(jiān)測(cè)站點(diǎn)9月29日—10月8日白天與黑夜以及不同高度處化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的平均貢獻(xiàn)值

由表1可知，最貼近地面的一層(約幾十米)O3的化學(xué)消耗過(guò)程要大于其生成過(guò)程，幾十米以上的高度(從第2層開(kāi)始)則是O3的生成過(guò)程大于其被消耗的過(guò)程；化學(xué)過(guò)程在白天表現(xiàn)為凈增加O3的作用，其中第4層O3化學(xué)凈生成速率最大，白天(10∶00—15∶00)化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的平均貢獻(xiàn)值可達(dá)33 μg/(m3·h-1)，夜間(19∶00—6∶00)由于缺乏光照，化學(xué)過(guò)程對(duì)O3濃度的影響在各層均表現(xiàn)為凈消耗。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)廣東省2018年國(guó)慶前后空氣質(zhì)量的分析，發(fā)現(xiàn)珠三角中西部、西南部和粵西地區(qū)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的O3污染事件，本文使用WRF/CAMx模型的綜合過(guò)程分析工具，研究了不同物理化學(xué)過(guò)程對(duì)本次O3污染事件污染過(guò)程的影響與貢獻(xiàn)，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 2018年國(guó)慶前后，廣東省出現(xiàn)了一次大范圍的O3污染事件，期間天氣晴朗干燥，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，光化學(xué)反應(yīng)活躍，白天氣溫較高，有利于O3生成。全省共出現(xiàn)111個(gè)城次空氣質(zhì)量輕度污染、8城次中度污染，珠三角西南部的江門(mén)市空氣污染最為嚴(yán)重，共出現(xiàn)了3天中度污染。

(2) 本次O3污染事件中，在持續(xù)偏東北風(fēng)的影響下，江門(mén)等珠三角西南部城市處于下風(fēng)向，其較嚴(yán)重的近地面層O3污染主要是由水平輸送導(dǎo)致；上邊界O3往下輸送主要對(duì)下午和夜間的O3有正貢獻(xiàn)，但化學(xué)過(guò)程對(duì)不同高度的影響則有所差異，在近地面層對(duì)O3有凈消耗作用，在幾十米以上的高度在白天則主要表現(xiàn)為O3凈生成。

(3) O3的城市間輸送導(dǎo)致了下風(fēng)向地區(qū)出現(xiàn)較嚴(yán)重的O3污染，秋季是珠三角地區(qū)O3污染季節(jié)，建議加強(qiáng)珠三角中東部等地的O3前體物控制，以減輕下風(fēng)向城市的O3污染。